Как влияет добротность на характеристики дросселя. Какие факторы определяют добротность катушки индуктивности. Почему важно учитывать добротность при выборе дросселя. Как измерить добротность индуктивности.
Что такое добротность дросселя и почему она важна
Добротность (Q-фактор) является одним из ключевых параметров при выборе катушки индуктивности для различных применений. Этот показатель характеризует качество и эффективность работы дросселя.
Добротность определяется как отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению:
Q = XL / R
где XL — индуктивное сопротивление, R — активное сопротивление катушки.
Высокая добротность означает, что дроссель имеет низкие потери и эффективно накапливает энергию магнитного поля. Низкая добротность свидетельствует о значительных потерях энергии в катушке.
Факторы, влияющие на добротность катушки индуктивности
На добротность дросселя влияют следующие основные факторы:
- Активное сопротивление обмотки
- Потери в магнитопроводе
- Паразитная емкость между витками
- Частота сигнала
- Температура
Активное сопротивление обмотки зависит от материала провода, его сечения и длины. Чем меньше сопротивление проводника, тем выше добротность.
Потери в сердечнике связаны с гистерезисом и вихревыми токами в магнитном материале. Они возрастают с увеличением частоты.
Паразитная емкость между витками снижает добротность на высоких частотах.
Зависимость добротности от частоты
Добротность катушки индуктивности зависит от частоты сигнала:
- На низких частотах добротность ограничена активным сопротивлением обмотки
- В среднем диапазоне частот добротность достигает максимума
- На высоких частотах добротность снижается из-за потерь в сердечнике и паразитной емкости
Поэтому важно выбирать дроссель с максимальной добротностью в требуемом диапазоне рабочих частот.
Как добротность влияет на характеристики дросселя
Добротность оказывает существенное влияние на следующие характеристики катушки индуктивности:
- Ширина полосы пропускания фильтра
- Крутизна склонов АЧХ фильтра
- Вносимое затухание
- КПД колебательных контуров
- Стабильность параметров
Высокая добротность обеспечивает узкую полосу пропускания фильтра и крутые склоны его АЧХ. Это позволяет эффективно подавлять сигналы вне рабочей полосы частот.
Дроссели с высокой добротностью имеют меньшее вносимое затухание и более высокий КПД в резонансных цепях.
Методы измерения добротности катушек индуктивности
Существует несколько способов измерения добротности дросселей:
- Метод вольтметра
- Резонансный метод
- Метод куметра
- Измерение с помощью анализатора импеданса
Наиболее простым является метод вольтметра. Катушка включается последовательно с известным сопротивлением. Измеряется напряжение на катушке и общее напряжение. Добротность рассчитывается по формуле:
Q = UL / (Uобщ — UL)
Более точные результаты дает измерение с помощью специализированных приборов — куметров и анализаторов импеданса.
Рекомендации по выбору дросселей с оптимальной добротностью
При выборе катушки индуктивности для конкретного применения следует учитывать следующие рекомендации:
- Определить требуемый диапазон рабочих частот
- Выбрать дроссель с максимальной добротностью в этом диапазоне
- Учесть влияние температуры на добротность
- Для фильтров использовать катушки с добротностью не менее 50-100
- В резонансных цепях применять дроссели с Q > 100
- Для широкополосных устройств допустимы меньшие значения добротности
Правильный выбор добротности позволяет оптимизировать характеристики устройства и повысить его эффективность.
Влияние добротности на стабильность параметров дросселя
Добротность оказывает существенное влияние на стабильность характеристик катушки индуктивности при изменении внешних условий:
- Температурная стабильность индуктивности
- Стабильность при воздействии механических нагрузок
- Долговременная стабильность параметров
Дроссели с высокой добротностью обычно имеют лучшую температурную стабильность индуктивности. Это связано с меньшим влиянием активного сопротивления обмотки, которое сильно зависит от температуры.
Высокодобротные катушки менее чувствительны к механическим воздействиям, так как имеют более жесткую конструкцию.
Долговременная стабильность параметров также выше у дросселей с большой добротностью за счет меньшей деградации характеристик магнитопровода.
Особенности применения дросселей с различной добротностью
В зависимости от добротности катушки индуктивности имеют свои особенности применения:
- Высокодобротные дроссели (Q > 100):
- Узкополосные фильтры
- Резонансные цепи
- Согласующие цепи
- Дроссели средней добротности (Q = 30-100):
- Широкополосные фильтры
- Цепи развязки
- Импульсные источники питания
- Низкодобротные катушки (Q < 30):
- Дроссели фильтров питания
- Датчики тока
- Трансформаторы
Правильный выбор добротности позволяет оптимизировать характеристики устройства для конкретного применения.
Ключевые параметры при выборе индуктивности
При выборе индуктивности необходимо учитывать следующие ключевые параметры: способ монтажа (поверхностный монтаж или монтаж в отверстия), величину индуктивности, номинальный ток, активное сопротивление (DCR), частоту собственного резонанса (SRF), добротность (Q) и диапазон рабочих температур. Обычно требуется, чтобы габариты катушки индуктивности были как можно меньше, однако в каждом конкретном приложении размеры катушки определяются величиной индуктивности и номинальным током.
От чего зависит величина индуктивности дросселя?
Если предполагается использовать катушку индуктивности в качестве простого однозвенного высокочастотного фильтра 1-го порядка, то выбор конкретного компонента производится исходя из частотного спектра шума, который необходимо подавить. На собственной резонансной частоте (SRF) последовательный импеданс катушки индуктивности максимален. Таким образом, для ВЧ-фильтрации следует выбирать дроссель, у которого собственная резонансная частота близка к частоте шума.
Для фильтров более высокого порядка индуктивности отдельных элементов должны быть рассчитаны, исходя из требуемых частот срезов фильтров (для фильтров нижних и верхних частот) или ширины полосы пропускания (для полосовых фильтров). Для выполнения таких расчетов чаще всего используются программы моделирования, такие, например, как SPICE, AWR Microwave Office и Agilent Genesys или ADS.
Для калиброванных цепей или цепей с согласованным импедансом, желательно выбирать компоненты с минимальным разбросом номинала. Как показано в Таблице 1, проволочные индуктивности, как правило, отличаются меньшим отклонением от номинального значения по сравнению с многослойными печатными и толстопленочными индуктивностями.
Таблица 1. Сравнение параметров различных индуктивностей
Тип индуктивности | Индуктивность, нГн | Точность | Q при 1,8 ГГц | Рейтинг тока, мА |
Выводная (Coilcraft 0402HP-2N7XGL) | 2,7 | 2% | 85 | 1500 |
Многослойная (TDK MLK1005S2N7ST) | 2,7 | 11% | 31 | 500 |
Выводная (Coilcraft 0402HP-68NXGL) | 68 | 2% | 50 | 310 |
Многослойная (TDK MLK1005S68NJT) | 68 | 5% | 20 | 150 |
Как влияет величина тока на выбор индуктивности?
Для сохранения приемлемого уровня потерь и ограничения перегрева катушки индуктивности при протекании большого тока необходимо либо увеличивать сечение провода, либо использовать больше жил того же размера.
Применение провода увеличенного сечения позволяет уменьшить активное сопротивление (DCR) и повысить добротность Q, однако расплатой за это становится увеличение габаритов катушки, кроме того, собственная резонансная частота может оказаться ниже. Из таблицы 1 видно, что дроссели с проволочной обмоткой превосходят многослойные печатные индуктивности (того же размера и индуктивности) по уровню допустимой токовой нагрузки.
Увеличение допустимого тока и снижение активного сопротивления обмотки, а также сокращение числа витков могут быть достигнуты за счет использования дросселя с ферритовым сердечником. Однако индуктивности с ферритовым сердечником имеют свои недостатки, такие как значительная температурная зависимость индуктивности, значительная погрешность номинала, пониженная добротность и низкий ток насыщения. Ферритовые дроссели открытого типа, такие как серия LS от Coilcraft, не будут насыщаться даже при протекании номинального тока.
Таким образом, величина тока определяет сопротивление обмотки?
Номинальный ток и активное сопротивление обмотки тесно связаны.
Чем меньше сопротивление обмотки, тем меньше будет перегрев при протекании тока, а значит, тем выше может быть сам ток. Кроме того, в большинстве случаев, если все остальные параметры остаются без изменения, для уменьшения сопротивления необходимо использовать дроссель большего типоразмера.
Какой должна быть частота собственного резонанса?
Частота собственного резонанса определяется следующим образом:
На частоте собственного резонанса дроссель обеспечивает максимальное ослабление шума. На более низких частотах импеданс уменьшается. В точке собственного резонанса полное сопротивление достигает максимального значения. На более высоких частотах сопротивление также уменьшается.
В фильтрах более высокого порядка и в приложениях с согласованным импедансом желательно иметь более плоскую частотную зависимость индуктивности вблизи требуемой частоты. Это предполагает выбор дросселя с частотой, значительно превышающей рабочую частоту. Эмпирическое правило заключается в выборе индуктивности, у которой собственная частота резонанса в 10 раз выше рабочей частоты.
Обычно, величина индуктивности определяет частоту резонанса и наоборот. Чем выше индуктивность, тем ниже частота резонанса, что является следствием увеличения емкости обмотки.
Частотная зависимость индуктивности и импеданса
Индуктивность и импеданс резко возрастают вблизи собственной резонансной частоты (SRF), как показано на рисунке 1. Если предполагается использовать катушку индуктивности в роли простого ВЧ-фильтра, в таких случаях следует выбирать дроссель, у которого частота резонанса максимально близка к частоте подавляемого шума. Для других приложений следует выбирать дроссель, у которого частота резонанса максимально, как минимум в 10 раз, выше рабочей частоты.
Рис. 1. Частотная зависимость индуктивности и импеданса проволочного дросселя 100 нГн
В каких случаях важна добротность?
Высокое значение добротности (Q) обеспечивает узкую полосу пропускания, что важно, если катушка индуктивности используется в составе LC-генератора или в другом узкополосном приложении (рисунок 2).
Высокое значение Q также приводит к низким потерям и способствует уменьшению энергопотребления.
Рис. 2. Высокая добротность (Q) обеспечивает узкую полосу пропускания и низкие потери
Добротность индуктивности рассчитывается следующим образом:
Все зависящие от частоты параметры, активные и реактивные потери учитываются в Q, в том числе индуктивность, емкость, скин-эффект проводника и потери в материале магнитного сердечника. Как указано в таблице 1, индуктивности с проволочной обмоткой имеют гораздо более высокие значения Q, чем многослойные печатные индуктивности того же размера и номинала.
Как выбрать рейтинг температуры?
При увеличении тока и сопротивления потери мощности в индуктивности увеличиваются. В свою очередь потери приводят к разогреву и повышению температуры компонента. Номинальный ток индуктивности обычно приводится для заданной температуры окружающей среды, но из-за собственных потерь температура компонента оказывается выше температуры среды.
Например, если компонент с верхней границей диапазона рабочих температур +125° C в процессе протекания номинального значения полного тока (Irms или Idc) дополнительно нагревается на 15 °C, то его собственная максимальная температура составит приблизительно 140 °C. При выборе катушки индуктивности нужно убедиться, что температура окружающей среды и потребление тока в приложении не превышают номинальных значений.
Как быстро найти индуктивности, которые обладают всеми необходимыми характеристиками?
Сравнение спецификаций дросселей от различных производителей может занять много времени. Инструмент поиска индуктивностей Coilcraft позволяет выбирать катушки по шести различным параметрам. Фильтр автоматически оставляет только те модели, которые удовлетворяют заданным требованиям.
Автор: Вячеслав Гавриков, г. Смоленск
Производители: Tdk
Разделы: Дроссели
Опубликовано: 04.
06.2019
Определяем добротность и частоту собственного резонанса катушки индуктивности
Как ни странно, в катушках индуктивности нас в первую очередь интересует индуктивность. Измерить индуктивность не сложно. Готовые RLC-метры стоят недорого. Если RLC-метра нет, но есть осциллограф, индуктивность можно определить с его помощью. Также нормальный антенный анализатор без труда измеряет как индуктивность, так и емкость. Но у катушек индуктивности есть еще по крайней мере два важных свойства — частота собственного резонанса и добротность. Давайте разберемся, почему эти свойства важны и как их измерить.
Суть проблемы
Катушки индуктивности, существующие в реальном мире, можно описать при помощи следующей модели:
Здесь L — это индуктивность катушки. Катушка мотается неким проводником, а реальный проводник имеет отличные от нуля потери. Резистор Rs (он же ESR, equivalent series resistance) как раз отображает эти потери. Конденсатор Cp — это паразитная емкость между витками катушки.
Можно заметить, что индуктивность L и конденсатор Cp образуют параллельный колебательный контур. У этого контура есть резонансная частота. Она и называется частотой собственного резонанса катушки (self-resonant frequency). Ниже этой частоты катушка ведет себя, как катушка. Однако выше она начинает вести себя больше как конденсатор. Определив частоту собственного резонанса, мы поймем, на каких частотах может быть использована катушка.
Rs имеет сложную природу, и работать с ним напрямую неудобно. Поэтому вместо того, чтобы говорить об Rs, говорят о добротности (quality factor или Q). Добротность — это безразмерная величина, характеризующая скорость затухания колебаний в колебательной системе. Чем больше Q, тем меньше затухания.
Для катушек индуктивности добротность определяется, как отношение реактивного сопротивления к Rs:
Q = Xl / Rs
Реактивное сопротивление является функцией от частоты. Rs на самом деле тоже зависит от частоты.
В мире любительского радио обычно говорят о Q на рабочих частотах катушки. Предполагается, что на этом интервале частот добротность меняется незначительно.
Стоит упомянуть, что различают холостую добротность (unloaded Q) и нагруженную добротность (loaded Q). В рамках этой статьи под добротностью понимается исключительно холостая добротность. Нагруженная добротность возникает, когда катушку помещают в конкретную электрическую цепь.
Испытуемый
Попробуем определить частоту собственного резонанса и добротность такой катушки:
Катушка намотана проводом МГТФ площадью сечения 0.35 кв.мм на трубе ПВХ с внешним диаметром 25 мм. Для принудительного шага я мотал два параллельных провода. Затем один провод постепенно отматывался, а второй фиксировался лаком. Длина намотки составила 30 мм, индуктивность — 2 мкГн.
Такой способ намотки был использован с целью получить не самую позорную добротность. За годы экспериментов радиолюбители выработали хорошие практики, позволяющие максимизировать добротность.
Основные рекомендации:
- Толстый проводник предпочтительнее тонкого;
- Любой диэлектрик в качестве каркаса катушки или изолятора проводника уменьшает добротность;
- Charles Michaels, W7XC (SK) рекомендует в катушках с воздушным диэлектриком использовать отношение длины катушки к ее диаметру (L/D) не более 2:1. Здесь речь идет о намотке виток к витку;
- Если же катушка мотается на каркасе, рекомендуется L/D = 1:1;
- Tom Rauch, W8JI рекомендует использовать расстояние между витками, равное толщине проводника и L/D от 1 до 4;
Кое-какие подробности можно найти в 9-ой главе книги ON4UN’s Low Band DXing, 5th Edition, в разделе 3.7.2 Making or Buying High-Q Loading Coils. Отмечу, что просто следовать этим советам недостаточно. Если ваша задача — получить как можно большую добротность, нужно брать конкретные доступные материалы, мотать катушки и измерять.
На самом деле, мной было намотано пять катушек пятью разными способами. Приведенная выше имела максимальную добротность.
Ищем собственный резонанс
Для определения частоты собственного резонанса было решено воспользоваться анализатором спектра. С тем же успехом подойдет осциллограф с генератором сигналов, или RTL-SDR с генератором шума. Но анализатор спектра удобнее.
Для подключения катушки между следящим генератором и входом анализатора было использовано такое приспособление:
Экраны BNC-разъемов соединены между собой, а жилы идут к «банановым» коннекторам. К этим коннекторам и подключается катушка.
В итоге получаем такую АЧХ:
Перед нами частоты от 1 до 201 МГц, цена деления по горизонтали — 20 МГц. Собственный резонанс, если верить графику, пришелся где-то на 150 МГц. Ниже аттенюация сигнала увеличивается с ростом частоты. Так и должна работать катушка. Выше аттенюация уменьшается с ростом частоты. Это поведение конденсатора.
Какие выводы отсюда можно сделать? Катушку можно использовать на частотах где-то до 37 МГц. На частотах, приближающихся к частоте собственного резонанса, использовать катушки нельзя.
Причина заключается в том, что добротность падает по мере приближения к частоте собственного резонанса. На частоте собственного резонанса добротность равна нулю. Рекомендуется использовать катушки на частотах в 4+ раза ниже частоты собственного резонанса.
Определяем добротность
Для определения добротности воспользуемся подходом из статьи Fixture for Measuring Inductor Q with your Antenna Analyzer [PDF], которую написал Phil Salas, AD5X. По инструкции из статьи было изготовлено такое устройство:
Идея довольно простая. Антенный анализатор подключается к BNC разъему, а катушка подключается к «банановым» коннекторам. В первом положении тумблера антенный анализатор измеряет эквивалент нагрузки 50 Ом. Для эквивалента нагрузки было использовано 20 соединенных параллельно резисторов 1 кОм ± 1%. Во втором положении измеряется последовательный колебательный контур, образованный этим же резистором 50 Ом, измеряемой катушкой и КПЕ.
На резонансной частоте последовательный LC-контур представляет собой КЗ, и мы увидим чисто активное сопротивление около 50 Ом:
В данном случае (первый график) резонанс попал на 9.
3185 МГц. Антенный анализатор видит 50.4 Ом. Переключаем тумблер в другое положение. Видим сопротивление резистора без контура. Оно составило 49.8 Ом (второй график). Есть также небольшая реактивность в 0.4j. Ею мы пренебрежем, поскольку это всего лишь:
>>> from math import pi
>>> F = 9_318_500
>>> 0.4/(2*pi*F)
6.83178378888857e-09
… 6.8 нГн, почти в 300 раз меньше измеряемых 2 мкГн.
Смотрите, что получается. С контуром было 50.4 Ом, а без контура — 49.8 Ом. Разница в 0.6 Ом включает в себя Rs катушки, а также потери на конденсаторе. Но конденсаторы обладают существенно большей добротностью (> 1000), чем катушки. Поэтому разница в 0.6 Ом приходится преимущественно на Rs катушки.
Теперь у нас есть все необходимое для вычисления добротности:
>>> from math import pi
>>> F = 9_318_500
>>> L = 2.0/1000/1000
>>> Rs = 50.4 — 49.8
>>> Xl = 2*pi*F*L
>>> Q = Xl/Rs
>>> Q
195.
16620761650944
Добротность порядка 200 — это неплохой результат. Обычные покупные катушки для сквозного монтажа имеют добротность в пределах 100. Не удивительно, что бывалые радиолюбители предпочитают мотать катушки самостоятельно. Случайная самодельная катушка из медной проволоки будет иметь добротность уже порядка 100-150. Согласно Low Band DXing, после некоторой практики можно легко делать катушки с добротностью ~400. В качестве потолка в различных источниках приводится Q от 800 до 1000.
Домашнее задание: Смотайте катушку с индуктивностью побольше, порядка 70 мкГн. Для такой катушки вам понадобится каркас около 70 мм и 30 витков эмалированной проволоки диаметром 0.9 мм. Каким вышел Rs? Куда попала частота собственного резонанса? Сравните с приведенными выше результатами.
Внимательный читатель может поинтересоваться, а почему номинал резистора был выбран именно 50 Ом? Это сделано лишь по той причине, что ошибка измерения антенного анализатора при таком сопротивлении минимальна. В теории, с тем же успехом можно использовать любое другое сопротивление, лишь бы оно было чисто активным.
Заключение
Допустим, мы спаяли генератор или фильтр, и он работает не так, как ожидалось. Причина может заключаться к собственном резонансе катушек. Слишком большие потери в согласующем устройстве? Причина может быть в низкой добротности компонентов. Теперь мы имеем больше шансов правильно диагностировать такие проблемы, или еще лучше — вообще избегать их.
Дополнение: Измеряем параметры кварцевых резонаторов
Метки: Электроника.
Как добротность или добротность влияют на характеристики индуктора
Индуктивности являются наиболее доминирующим элементом в любых преобразователях силовой электроники, сетях фильтров и системах связи, где они в основном используются в резонансных сетях. Если вы совершенно не знакомы с катушками индуктивности, ознакомьтесь со статьей о катушках индуктивности, чтобы понять основы. На практике существует много типов индукторов, но ни один из них не является идеальным индуктором, то есть они не являются чистыми индукторами. Таким образом, при выборе катушки индуктивности для конкретного приложения, помимо значений индуктивности, некоторые другие параметры, такие как сопротивление постоянному току, сопротивление переменному току и паразитная емкость, также будут связаны с катушкой индуктивности, и это необходимо учитывать для удовлетворения проектных требований и улучшения. надежность.
После расчета значения индуктивности для выбранного приложения необходимо выбрать соответствующий практический компонент на основе технических данных производителя и карт линейки продуктов. В некоторых приложениях, особенно для радиочастотных приложений, важно учитывать коэффициент качества катушки индуктивности вместе со значением индуктивности. Но почему?
Почему важна добротность катушки индуктивности?
Как было сказано ранее, на практике идеального элемента не бывает. Катушки индуктивности изготавливаются путем намотки катушек на различные магнитные материалы, называемые сердечниками. Значение индуктивности любого практического индуктора определяется на основе количества витков, проницаемости материала сердечника, плотности потока, площади сердечника и т. д. При использовании этих индукторов в практических приложениях значение индуктивности может изменяться в зависимости от приложенного тока, сигнала частота, факторы старения, температурные условия эксплуатации и т. д.
Но надежная спецификация конструкции требует стабильной работы в широком диапазоне частот, входных и температурных условий. Таким образом, чтобы обеспечить постоянство производительности продукта, измеряются определенные параметры, чтобы обеспечить производительность индуктора. Одним из таких параметров является добротность катушки или добротность катушки индуктивности.
Что такое добротность?
В идеальном чистом индукторе индуктор будет иметь только значение индуктивности. Но в практической катушке индуктивности наряду с этим номинальным значением индуктивности также будут присутствовать постоянное и переменное сопротивление и паразитная емкость, которые ухудшат характеристики индуктивности.
Сопротивление постоянному току (DCR или R DC ):
При производстве индуктора катушки, намотанные на материал магнитного сердечника, имеют некоторое внутреннее сопротивление, которое вводит «сопротивление постоянному току» наряду с номинальным значением индуктивности. В паспорте производителя разработчики могут получить эти данные сопротивления в «DCR» или «R 9».0038 DC
”столбец. Значение сопротивления постоянному току индуктора зависит от длины провода и размера провода, используемого для намотки. Если требуемое значение индуктивности выше, то больше не требуется. необходимо намотать витков и использовать более длинный провод, что приводит к увеличению сопротивления постоянному току (на рис. 1 приведены данные о значении сопротивления для проводов разного размера и длины). Катушки индуктивности изготавливаются на основе рабочего тока, и соответствующие размеры катушек используются для определенных приложений. Значения сопротивления также зависят от размера провода. Использование катушек большего диаметра дает более низкое сопротивление постоянному току, чем катушки меньшего диаметра, но частотно-зависимые параметры играют важную роль при замене катушки меньшего диаметра катушкой большего диаметра.
Сопротивление переменному току (R ac ) из-за скин-эффекта:
Сопротивление переменному току играет наиболее важную роль в увеличении сопротивления провода, когда система используется в диапазоне частот примерно выше 50 кГц. Этот эффект известен как « Skin Effect ». При подаче сигналов более высокой частоты (свыше 50 кГц) через проводники ток будет проходить через поверхность проводов, а не через всю площадь поперечного сечения проводника. Из-за неиспользования всей площади катушки сопротивление увеличивается, и это значение сопротивления изменяется в зависимости от увеличения частоты.
Сопротивление переменному току (R ac ) из-за эффекта гистерезиса сердечника:
В идеальном сердечнике изменение плотности потока будет следовать за изменением магнитного поля 0(0H0). Но в практических сердечниках из-за свойств материала будут небольшие различия. Плотность потока не будет равна нулю для приложенного нулевого поля H из-за остаточного магнетизма, и после определенного поля H плотность потока становится насыщенной. Дополнительная коэрцитивная сила должна быть приложена в обратном направлении, чтобы снизить остаточный магнетизм Br до нуля. В отрицательном цикле также следует использовать тот же метод, чтобы заставить систему работать между положительными и отрицательными областями 9.0007 Кривая ЧД . Кривая BH и остаточный магнетизм также варьировались в зависимости от приложенной частоты, гистерезисные потери увеличиваются с увеличением частоты. При формировании катушки индуктивности к целевому значению индуктивности добавляются гистерезисные потери в виде сопротивления переменному току.
Сопротивление изоляции (Rd):
В материале сердечника и катушек обмотки используется изоляция, чтобы избежать внутренних коротких замыканий. Диэлектрические материалы, используемые в изоляционных материалах, имеют собственное сопротивление, а к компоненту с потерями добавляется полезное значение индуктивности. Эта часть отвечает за ток утечки, а за счет диэлектрических материалов образовалась межпроводная емкость.
В практических индукторах указанные выше значения сопротивления присутствуют вместе с номинальными значениями индуктивности. Значение общего сопротивления, отличное от номинальной индуктивности, определяется приведенным ниже соотношением.
R Total = R dc + R ac + Rd
Коэффициент добротности (добротность) дает подробную информацию о соотношении между компонентами индуктивной реакции и резистора, которые вызывают потери в индукторе во время его работы. Коэффициент качества Формула приведена ниже.
Q = (2 * ᴫ * f * L) / (R dc + R ac + Rd )
Кроме того, коэффициент добротности может быть выражен в терминах зависимости мощности. Как упоминалось ранее, компоненты сопротивления добавляются к номинальной индуктивности из-за внешних параметров. Эти резисторы добавляют потери в катушку индуктивности, что снижает эффективность катушки индуктивности.
Q = 2 * ᴫ (Сохраненная_Энергия) / (Рассеиваемая_Энергия_за_Цикл)
Основываясь на двух приведенных выше соотношениях, мы можем определить, что если значения постоянного, переменного и диэлектрического сопротивления высоки, потери мощности также выше, а значение добротности снижается. Это приведет к снижению эффективности. Таким образом, коэффициент добротности даст подробную информацию о качестве индуктора. Если значение добротности высокое, пользователь может сделать вывод, что выбранный индуктор имеет более низкие значения сопротивления переменному и постоянному току и, следовательно, имеет низкие потери мощности по сравнению с более низкой добротностью. Значение индуктора. Отсюда и Значение добротности катушки индуктивности должно быть высоким , чтобы получить от нее оптимальную производительность.
Как добротность катушки индуктивности влияет на ее работу в цепи?
В практических схемах фильтров добротность играет доминирующую роль в запасе полосы пропускания фильтра . Для приложений с узкой полосой пропускания радиочастот, таких как система связи общественной безопасности, системы беспроводной связи полиции, данные, передаваемые с помощью узкополосной связи, и фильтры, используемые для этих приложений, должны требовать более узкой полосы пропускания, а фильтр должен иметь максимальную способность ослаблять сигналы вне области полосы пропускания.
Для некоторых других приложений требуется более широкая полоса пропускания, и фильтр должен пропускать более широкий диапазон частот сигналов. На рисунке ниже показана характеристика фильтра для разных значений добротности . Катушка индуктивности с более высоким коэффициентом добротности, показанная красным цветом, обеспечивает очень узкую полосу пропускания с более высоким коэффициентом усиления. Таким образом, фильтр обеспечивает эффективную фильтрацию для интересующей более узкой частоты, а все остальные частоты сигнала ослабляются. Катушка индуктивности с низким коэффициентом качества, показанная зеленым цветом, обеспечивает меньший коэффициент усиления по напряжению с увеличенной полосой пропускания. Таким образом, разработчик может выбрать оптимальные значения добротности, исходя из требований к конструкции и эффективности.
Почему добротность важна для катушки индуктивности?
Введение
Почему коэффициент добротности (добротность) может сказать нам, насколько реальная катушка индуктивности близка к идеальной. Катушки индуктивности наиболее распространены в любом преобразователе силовой электроники, сети фильтров и системе связи, где они часто используются в резонансных сетях. Часто можно думать, что катушки индуктивности обладают чистой индуктивностью, тогда как на самом деле они обладают некоторым сопротивлением. Коэффициент добротности определяется как отношение реактивного сопротивления катушки к ее сопротивлению. Наиболее очевидная составляющая сопротивления катушки индуктивности является результатом стандартного сопротивления постоянному току. Так какова реальная связь между сопротивлением и добротностью? Какое значение имеет добротность?
Что такое добротность?
Каталог
Введение |
Ⅰ Почему добротность важна для индуктора? |
Ⅱ Добротность индуктора? 2.1 Идеальных катушек индуктивности не существует 2.2 Что такое Factor-Q? |
Ⅲ Какова роль добротности в схеме? |
Ⅰ Почему добротность важна для катушки индуктивности?
Соответствующая функциональная часть должна быть выбрана на основе спецификаций производителя и карт линейки продуктов после измерения значения индуктивности для выбранного приложения. Необходимо учитывать добротность катушки индуктивности вместе со значением индуктивности в некоторых приложениях, особенно для радиочастотных приложений.
Ⅱ Добротность индуктора?
2.1 Идеальных катушек индуктивности не существует
Как упоминалось ранее на практике, идеальных деталей не бывает. Катушки индуктивности формируются путем намотки катушек на сердечники, называемые различными магнитными материалами. Любое практическое значение индуктивности индуктора получается в зависимости от количества витков, проницаемости материала сердечника, плотности потока, площади сердечника и т. д. Значение индуктивности можно регулировать в зависимости от приложенного тока, частоты сигнала, переменных старения, условий рабочей температуры и т. д. ., при использовании этих индукторов в практических приложениях.
Но для широкого диапазона частот, данных и температурных параметров стабильная спецификация проекта требует согласованных выходных данных. Чтобы поддерживать точность выходного сигнала продукта, рассчитываются определенные критерии, обеспечивающие производительность индуктора. Одним из таких параметров является коэффициент согласованности катушки или добротность индуктора.
2.2 Что такое Factor-Q?
Рис. 1. Коэффициент добротности катушек индуктивности
Катушка индуктивности может иметь свое значение индуктивности только в идеально чистой катушке индуктивности. Однако наряду с этим номинальным значением индуктивности в функциональном дросселе также будут присутствовать постоянное и переменное сопротивление и паразитная емкость, что снизит КПД индуктивности. Включая это значение паразитного сопротивления и емкости, добротность или добротность используются для измерения эффективности катушки индуктивности. Q-фактор — это параметр расчета согласованности, который определяет в реалистичном приложении «Качество индуктора» в отношении его потерь и производительности. Давайте подробно рассмотрим это паразитное сопротивление и емкость.
- (DCR или RDC) Сопротивление постоянному току
Катушки, которые наматываются на материал магнитного сердечника при изготовлении индуктора, имеют некоторое внутреннее сопротивление, которое вводит «сопротивление постоянному току» наряду с номинальным значением индуктивности. Разработчики могут получить эти данные сопротивления в столбце «DCR» или «RDC» таблицы данных производителя. Значение сопротивления катушки индуктивности постоянному току зависит от длины провода и масштаба провода, используемого для фазы обмотки. Если требуемое значение индуктивности выше, необходимо намотать больше витков и использовать более длинный провод, что способствует улучшению сопротивления постоянному току (на рис. 1 приведены данные о значении сопротивления для различных размеров и длин проводов). Катушки индуктивности изготавливаются в зависимости от рабочего тока, и для указанных приложений используются катушки соответствующих размеров. Значения сопротивления также зависят от сечения провода. Катушки большего диаметра дают меньшее сопротивление постоянному току, чем катушки меньшего диаметра, но частотно-зависимые параметры играют важную роль при замене катушки большего диаметра катушкой меньшего диаметра.
Примечание. Как рассчитать сопротивление медного провода?
Инженеры часто спрашивают, как рассчитать сопротивление кабеля, есть очень простая формула, которая хорошо работает:
где
R сопротивление проводника в Омах
l длина проводника в метрах
ρ — удельное электрическое сопротивление (также известное как удельное электрическое сопротивление) проводника.
A – площадь поперечного сечения, измеренная в квадратных миллиметрах
π — математическая константа
d — номинальный диаметр провода в миллиметрах
- Скин-эффект из-за сопротивления переменному току (Rac)
Поскольку устройство используется примерно в диапазоне частот выше 50 кГц, сопротивление переменному току играет наиболее важную роль в увеличении сопротивления провода. «Эффект кожи» известен как этот эффект. Вместо того, чтобы проходить через всю область поперечного сечения проводника, поскольку сигналы более высокой частоты (более 50 кГц) подаются через проводники, ток будет проходить по поверхности проводов. Сопротивление повышено из-за неиспользования максимальной области катушки, и это значение сопротивления меняется в зависимости от увеличения частоты.
- Гистерезисные потери в сердечнике из-за сопротивления переменному току (Rac)
Разница в плотности потока соответствует изменению магнитного поля (H) в идеальном сердечнике. Но из-за конструктивных особенностей могут быть незначительные различия в функциональных ядрах. Для примененного нулевого поля H плотность потока не будет равна нулю из-за остаточного магнетизма, и плотность потока станет насыщенной после определенного поля H. Чтобы снизить остаточный магнетизм Br до нуля, необходимо ввести дополнительную репрессивную энергию в противоположном направлении. Та же стратегия должна применяться и в отрицательном цикле, чтобы устройство могло работать между положительными и отрицательными участками кривой BH. В зависимости от применяемой частоты кривая BH и остаточный магнетизм часто различались, потеря гистерезиса увеличивается с увеличением частоты. Гистерезисные потери будут применяться вместе с целевым значением индуктивности с точки зрения сопротивления переменному току при формировании катушки индуктивности.
Кривая BH
- Сопротивление изоляции (Rd)
Для предотвращения внутренних коротких замыканий основной материал и катушки обмотки используют изоляцию. Диэлектрические материалы, используемые в изоляционных материалах, имеют собственное сопротивление, добавляя ценное значение индуктивности к компоненту с потерями. Этот участок отвечает за ток утечки, а межпроводная емкость создается за счет диэлектрических материалов.
Вышеупомянутые значения сопротивления наряду с номинальными значениями индуктивности присутствуют в функциональном индукторе. За исключением номинальной индуктивности, значение полного сопротивления определяется следующим соотношением:
Коэффициент добротности (Q-Factor) предоставляет информацию о соотношении компонентов индуктивной реакции и резистора, создающих индуктивные потери во время его работы. Формула для коэффициента качества приведена ниже:
Коэффициент добротности также может быть выражен в терминологии отношения мощности. Как упоминалось ранее, из-за внешних параметров добавляются составляющие сопротивления с номинальной индуктивностью. Эти резисторы добавят потери в катушку индуктивности, что снизит эффективность катушки индуктивности.
Основываясь на двух приведенных выше соотношениях, мы можем указать, что если значения сопротивления постоянного тока, переменного тока и диэлектрика высоки, потери мощности также выше, а значение добротности ниже. Это будет способствовать снижению результатов. Если значение добротности высокое, потребитель может сделать вывод, что выбранная катушка индуктивности имеет более низкие уровни сопротивления постоянному и переменному току и, следовательно, имеет низкие потери мощности по сравнению с катушкой индуктивности с более низким значением добротности. Таким образом, добротность может предоставить информацию об эффективности катушки индуктивности. Следовательно, чтобы получить от него оптимальный КПД, значение добротности индуктора должно быть высоким.
Ⅲ Какова роль добротности в цепи?
Коэффициент добротности играет доминирующую роль в запасе полосы пропускания фильтра в практических схемах фильтров. Данные, передаваемые с узкой полосой пропускания для приложений с узким спектром радиочастот, таких как система связи общественной безопасности, полицейские сети беспроводной связи, и фильтры, необходимые для этих приложений, требуют более узкой полосы пропускания, и фильтр должен иметь возможность ослаблять сигналы за пределами полосы пропускания. насколько это возможно.
Для любых других приложений требуется более широкая полоса пропускания, и фильтр может пропускать больше частотных сигналов. Отклик фильтра для различных значений добротности показан на рисунке ниже. Катушка индуктивности с более высоким коэффициентом полезного действия, показанная красным цветом, дает более высокий коэффициент усиления для очень узкой полосы пропускания. Таким образом, для интересующей более широкой частоты фильтр имеет хорошую эффективность фильтрации, а все остальные частоты сигнала ослабляются. Меньший коэффициент усиления по напряжению с улучшенной полосой пропускания обеспечивается катушкой индуктивности с низкой добротностью, показанной оранжевым цветом. Таким образом, на основе спецификации и критериев производительности разработчик должен выбрать оптимальные значения добротности.
Часто задаваемые вопросы о добротности катушки индуктивности
1. Как найти добротность катушки индуктивности?
Добротность катушки индуктивности Q по определению равна wL/R, где w — частота, R — сопротивление катушки индуктивности, а L — ее индуктивность. Интегральные катушки индуктивности имеют сложную распределенную схему замещения, имеющую не только собственное сопротивление, но и паразитную емкость.
2. Как рассчитывается добротность?
Добротность pMUT можно определить по действительной части частотного спектра импеданса, которая определяется как Q = fr/Δf, где резонансная частота fr — это частота, на которой действительная часть импеданса достигает своего максимума, Δf — ширина пика на половине его высоты, так называемая полоса пропускания по уровню 3 дБ.
3. Как понизить добротность?
Самый простой способ уменьшить добротность — установить более короткую каретку. Есть много хороших, недорогих кареток с квадратным конусом разной длины. Вы можете снять шатуны с вашего существующего каретки, измерить их, а затем заказать более короткую каретку.
4. Имеет ли значение добротность?
Больший Q-фактор (более широкий протектор) будет означать меньший зазор на поворотах (при вращении педалей) при той же высоте каретки и длине кривошипа. Меньший коэффициент добротности (более узкий протектор) желателен на лежачих велосипедах с обтекателем, потому что тогда обтекатель также может быть уже, а значит, меньше и легче.
5. Что означает добротность?
добротность
В физике и инженерии добротность или добротность — это безразмерный параметр, который описывает степень недостаточного демпфирования генератора или резонатора. … Коэффициент добротности также определяется как отношение центральной частоты резонатора к его ширине полосы при воздействии колебательной движущей силы.
Лучшие продажи диода
| Фото | Деталь | Компания | Описание | Цены (долл. США) |
Альтернативные модели
| Часть | Сравнить | Производители | Категория | Описание |
Заказ и качество
| Изображение | Произв.Похожие записи |